ETAP在高职高专“电力系统分析”教学改革中应用

刘禹良， 伍家洁

(重庆电力高等专科学校 电力工程学院，重庆 400053)



ETAP在高职高专“电力系统分析”教学改革中应用

刘禹良， 伍家洁

(重庆电力高等专科学校 电力工程学院，重庆 400053)

教学实践证明，ETAP软件可有效增强高职高专“电力系统分析”课程的生动性，最大限度地调动学生学习的主观能动性，提高教学质量。针对该课程理论性强、传统教学方式单一枯燥、多媒体教学和实验教学存在各种缺陷的现状，提出了基于ETAP软件的行动导向教学法，重点探讨了ETAP在电力系统建模、仿真计算、应用拓展等方面的功能，以及其在“电力系统分析”课程理实一体化教学中的应用，为全面发挥该软件在教学改革中的主导作用提供了有益借鉴。

ETAP； 电力系统分析； 行动导向教学； 理实一体化； 仿真计算

0 引 言

“电力系统分析”在工科类高职高专院校电气专业中是一门不可撼动的专业核心课程，其具有较强的理论性、实践性和综合性，在整个专业课程体系中起着承上启下的过渡作用[1]。但高职高专院校往往由于实践条件限制、师资人员缺乏、教学方法单一，使得该课程的教学模式没能突破传统教学模式，主要以灌输为主，学生学习主动性不够，学习效率偏低，教学质量不够理想。虽然随着多媒体技术的普及，教师在课堂上补充了大量的实物照片和视频，制作了许多形象生动的动画，并结合职业技能鉴定的要求充实了大量习题，但并未从根本上改变该课程理论性过强、学生难以理解从而导致学习积极性难以发挥[2]。

近年来，随着计算机科学的发展和技术的进步，计算机仿真已成为各工科专业课程教学的重要辅助手段。电力系统也涌现出一批优秀的仿真软件，如PSASP、PSCAD、BPA、Matlab/Simulink等[3-4]，这些软件能实现潮流、短路等计算结果报表和图示化的输出[5]，许多高职高专院校也基于上述软件开设了“电力系统分析”课程的实验环节。但由于实验条件、实验进程安排、师资力量等因素的限制，加之实验内容大多侧重于对理论知识的验证[6-7]，除了能短时间内提升学生学习兴趣外，未能从根本上改善教学质量。

基于以上问题，我校通过大量的资料收集、走访调研等工作，引入国际国内一些优秀的高职高专院校普遍采用的行动导向教学法[8]，在此基础上建立了ETAP电力系统仿真分析联合工作站作为理实一体的教学场所。美国OTI公司开发的ETAP电力系统仿真分析软件具有潮流计算、短路计算、稳定计算、经济分析等多种功能模块，将其用于“电力系统分析”课程的行动导向教学，不仅能有效克服传统教学的弊端，极大地提升教学质量，同时也为广大师生和工程人员进一步探究电力系统相关问题提供了有效平台[9]，还能提高教师的工程能力和科研能力[10]。

1 ETAP电力系统仿真分析软件

ETAP由美国OTI公司(Operation Technology Inc)开发，最初的版本于1983年发行。经过多年的开发与完善，其已具备智能建模、多维数据管理模式、多种输入表达方式、统一数据库、虚拟现实操作、无限复合网络嵌套及电机嵌套、集成全面的电力和物理数据库以及大量工程数据库、用户自定义动态模型等特点[11]。

ETAP提供了完整的图形和编辑器，可以最简洁的方式建立电力系统的单线图。其包括潮流计算、短路计算、暂态稳定分析等多个计算模块，功能也十分强大[12]。该软件可根据实际需要来设置或改变系统运行状态，可在不同的连接方式、负载状况、不同的电气工程参数和计算参数下，分别进行计算与分析。

2 ETAP在“电力系统分析”行动导向教学中的应用

基于“电力系统分析”课程没能突破传统教学模式，单一的多媒体教学无法有效提高教学质量的现状，有必要采用新的教学方法来提高学生的学习积极性和学习质量[13]。我校通过对电力行业的调研及行业分析，对电气相关专业技术领域职业岗位(群)任职要求进行解剖，由职业岗位群确定典型工作任务，重新开发了“电力系统分析”课程的课程体系和教学流程[14-15]。改革后的教学活动在ETAP电力系统仿真分析联合工作站进行，利用行动导向教学法引导学生主动学习理论知识，并利用ETAP软件完成各典型工作任务。除频率调整部分因软件功能原因无法进行仿真操作外，学生须完成的典型工作任务与教材相应内容模块一一对应，如表1所示。

表1 典型工作任务与教材内容模块的对应关系

2.1 系统建模及认知

在深入学习本课程各部分知识前，通过引导学生完成典型工作任务1——利用ETAP软件构建电力系统模型。图1为ETAP软件的电力系统单线图编辑模式，将图中右侧元件库的各元件拖曳到左侧空白的编辑面板上，再将其用线条连接，之后正确输入各元件参数，就构建了电力系统模型。

学生在编辑电力系统单线图时，须充分注意以下两点：①对软件中符号相似的元件要加以区分，如直流发电机与交流发电机，如果选错则会影响后续的计算与分析；②元件参数必须正确、完整地填写，错填、漏填也会对后续工作造成影响，例如架空输电线路两地线间的距离及地线与导线的高度差，若漏填该数据将使潮流计算、短路计算等后续工作无法进行，见图2。

学生通过完成以上典型工作任务，对电力系统的构成建立了一个较全面、立体的认识，也对各元件参数的设置有了较深入的理解。

2.2 电力系统的计算及分析

在对电力系统的构成及参数有了较全面的认识后，应进入潮流计算、电压调整等涉及到计算与分析的后续知识模块的学习。以典型工作任务2——电力系统的潮流计算及结果分析为例，依然采用图1所示算例，如图3所示，点击图中右侧的潮流计算按钮，可由计算机瞬间计算出系统潮流结果。

由于改革后的教学思想为“轻推导、重分析”，学生不必关心潮流计算的具体过程，但要对其结果进行分析，从中得出一些有用的结论。例如图3中母线Bus4与Bus5之间双回输电线路的感性无功损耗为负，其原因在于线路电压等级较高，充电效应较为明显，串联支路上损耗的感性无功比对地电容向系统注入的感性无功更小。又如，母线Bus4～Bus6的电压均低于额定电压，可采取装设并联电容器等措施进行电压调整，而该操作将在典型工作任务3中进行。

图1 利用ETAP建立电力系统模型

图2 架空输电线路的“配置”选项卡

经过上述练习后，学生不仅对电力系统潮流有了基本概念，对结果的分析加深了对潮流的理解，盘活了学习思路，为后续章节的学习打下了基础。

2.3 电力系统动态过程的仿真演示

表1中，“电力系统分析调整与优化”模块基于潮流计算结果进行，“电力系统故障分析”模块基于短路计算结果进行，而潮流计算结果、短路计算结果均为静态的、最终的计算结果，无法体现电力系统运动、变化的过程。电力系统的稳定性分析则要考虑电力系统受到扰动后的动作过程，这一过程可由ETAP的暂态稳定分析模块清晰展示。

针对图1所示系统，进入ETAP的暂态稳定分析功能模块，设置如下两个扰动事件：在第1 s时等效负荷Lump1产生5%的冲击负荷，第6 s时母线Bus7发生三相短路，第6.5 s时断路器CB1断开，第7 s时母线Bus7的短路故障被清除，第8 s时断路器CB1重新合闸,如图4所示。

如图5所示，点击“运行暂态稳定”按钮，拖动滑块可展示0～30 s这段时间内各节点电压、各支路电流等物理量的值。图中显示的是第6 s时的情况，由于母线Bus7发生短路，断路器CB1跳闸，使线路Line2上的电流为0，各节点电压都有不同程度的下降，越靠近短路点Bus7的节点电压下降越多，短路点Bus7的电压为0。

图3 潮流计算结果图

图4 设置扰动事件

除用上述方法观察各物理量的变化情况外，还可用ETAP的“暂态稳定画图”功能绘制各物理量的变化曲线，更加清晰地展示变化过程。图6为绘制出的母线Bus6的电压变化情况。可见，在第6 s时由于Bus7发生三相短路，其电压迅速下降；在第6.5 s时由于断路器CB1跳闸，将故障区域隔离开来，其电压又迅速上升；而在第8 s时由于故障被清除，断路器CB1重新合闸，其电压在此之后逐渐恢复到初始值。

学生经过上述动手操作及对运行结果的分析，不仅对电力系统的暂态稳定过程有了较为深入的感性认识，而且加深了对电力系统三相短路的理解，进一步巩固了前面所学的知识。

图5 拖动滑块观察各物理量数值变化情况

图6 母线Bus6的电压变化情况

学生在上机完成各典型工作任务的过程中，除了对课本知识进行了有效验证外，也培养了其分析、计算、处理电力系统一般运行问题的能力，对自己建立的模型成功运行后也增加了其成就感，极大地提高了其学习兴趣。更为重要的是，由于上机操作有一定难度，学生在学习过程中养成了利用资源丰富自身素质、团队协作共同攻坚的良好习惯。

3 ETAP应用于教学改革的优势

与传统教学方式相比，基于ETAP的行动导向教学法的优势主要体现在以下几个方面：

(1) 课程知识系统化、整体化。“电力系统分析”课程各章知识的联系并不十分紧密，主要体现在不同章节的例题分析和计算的对象都是不同的系统，这导致在传统教学方法中学生难以体会到前后知识的连续性。而在ETAP上建立电力系统模型后，所有后续操作，如潮流计算、调压分析、短路计算等，都是在该模型基础之上进行，这对学生系统性、整体性学习和掌握课程知识大有裨益。

(2) 突出重点，提高教学质量。“电力系统分析”课程理论性很强，其中不乏公式的推导和繁琐计算。而对于高职高专学生，重点应放在认知和知识的灵活运用上。例如潮流计算，学生应将重点放在潮流的概念、潮流计算结果的应用和分析上。这样，将授课地点选在理实一体化教室，并且将有限的课时数集中在重要知识点的学习和软件操作上，既能巩固重点知识的学习效果，提高教学质量，又能提高学生动手能力。

(3) 刺激学生学习的积极主动性。传统教学方法中，尽管引入了多媒体，但并未从根本上改变教师“一言堂”、学生被动接受、互动少的弊端。而将ETAP引入行动导向教学后，学生须动手完成各典型工作任务才能通过平时成绩考核，这促使学生变被动学习为主动学习，操作软件能提高动手能力、创新能力，且能在相互讨论中培养团队合作精神。

(4) ETAP软件的应用拓展。ETAP软件不仅在“电力系统分析”课程的教改中发挥了重大作用，也为学生学习后续课程建立了必要的基础。今后，将ETAP上机操作应用于课程设计和毕业设计中，可使学生的设计具灵活性、独创性。此外，还可将ETAP软件应用于其他理论课程的理实一体教学，例如该软件的“电机起动分析”模块就可用于“电机学”课程中异步电动机部分的仿真演示，用以提高教学质量。

4 结 语

行动导向教学法已成为现代职业教育、培训的主流发展趋势，将ETAP软件与该方法相结合，应用于“电力系统分析”课程的教学改革中，引导学生主动学习和掌握重点理论知识，同时积极动手操作和相互讨论，提高动手能力和团队协作能力，很好地实现了“知识传授、技能训练、素质养成”三位一体的并行目标。

[1] 王 俊，纪建伟，孙国凯，等. 电力系统分析的教学改革[J].高等农业教育，2012(12)：56-58.

[2] 陈璟华.“电力系统分析”多媒体教学实践与探索[J].广东工业大学学报(社会科学版)，2007(7)：194-195.

[3] 黄 肇，罗隆福，刘家芳，等.“电力系统分析”课程教学体系研究[J].中国电力教育，2014(11)：83-84.

[4] 徐 敏，彭 瑜. MATLAB在《电力系统分析》教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2010(3)：152-155.

[5] 陈 帅，王 勇，杨 恒. 基于MATLAB和PSASP的电力系统潮流分析与计算[J].上海电力学院学报，2012(1)：19-22.

[6] 牛天林，樊 波，张 强，等. Matlab/Simulink仿真在电力电子技术教学中应用[J].实验室研究与探索，2015(2)：84-87.

[7] 马立华，席 惠. MATLAB在电力电子实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索，2005，24(2)：33-36.

[8] 郑惠虹.基于“行动导向”的项目化教学在高职专业课程教学中的应用[J].教育与职业，2009(23)：132-134.

[9] 徐华娟，王 莉，秦海鸿. ETAP软件在电力系统教学中的应用[J].教育教学论坛，2015(26)：128-129.

[10] 刘邦祥.“行动导向教学”原则下的教师职业能力建设[J].职业技术教育，2008(27)：56-58.

[11] 凌卫家，吕东晓，戴江江，等.面向用户的新型电力系统模拟计算高级应用软件[J].湖北电力，2002(2)：33-35.

[12] 冯煜珵，王 雷，陈 陈. 电力系统仿真软件ETAP的特性与功能简介[J].供用电，2005(5)：23-26.

[13] 张靠社，张欣伟，宁联辉，等.《电力系统分析》课程的教学改革和实践[J].电力系统及其自动化学报，2008(2)：126-128.

[14] 李 芳，胡 斌，皮薇薇. 基于工作过程的“电力系统分析”课程开发与研究[J].中国电力教育，2010(33)：118-119.

[15] 王 艳.基于工作过程的高职发电厂及电力系统专业课程体系构建[J].济南职业学院学报，2014(1)：13-15.

Application of ETAP in the Teaching Reform of “Power System Analysis” in Higher Vocational Colleges

LIUYu-liang,WUJia-jie

(School of Electric Power Engineering, Chongqing Electric Power College, Chongqing 400053, China)

The teaching practice proves that the ETAP software can effectively enhance the activity of the “Power System Analysis” course in higher vocational colleges, maximize the mobilization of students, and improve the quality of teaching. This course has a strong theoretical depth, and traditional teaching methods are monotonous and boring. To solve the defects of the traditional teaching method, the multimedia teaching and the experimental teaching, the action-oriented teaching mode based on ETAP are put forward. The function of ETAP in power system modeling, simulation calculation and application development are discussed, and its application in integration of theory and practice of the “Power System Analysis” is also analyzed, These experiences can provide useful reference for the leading role of the software in the teaching reformation.

ETAP software; power system analysis; action-oriented teaching mode; integration of theory and practice; simulation calculation

2015-09-21

刘禹良(1984-)，男，重庆人，硕士，讲师，主要从事配电网可靠性研究及“电力系统分析”、“电机学”等课程的教学工作。

Tel.：15320470087；E-mail：liuyuliang_2010@126.com

G 642.0

A

1006-7167(2016)08-0212-05